DE102011082338A1

DE102011082338A1 - Kaltverfestigte Oberflächen von Kugeln

Info

Publication number: DE102011082338A1
Application number: DE102011082338A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Kruhöffer; Volker Ploetz; Jörg Weber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kaltverfestigung von Kugeln 1 angegeben. Dazu werden zwei Scheiben 2, welche an ihrem Unfangsrand 4 jeweils eine umlaufende, kreissegmentförmige Nut 5 aufweisen, so zueinander angeordnet, dass die Drehachsen 3 der beiden Scheiben 2 zueinander parallel verlaufen und einen gegenseitigen Abstand AD einhalten, der etwas größer ist als die Summe der beiden Radien RS1 und RS2 ist. Der Radius RK der Kugel 1 ist kleiner als der Radius RN der kreissegmentförmigen Nuten 5. Wird nun eine Kugel 1 zwischen den Nuten 5 der beiden Scheiben 2 angeordnet und eine der Scheiben 2.1 durch einen Antrieb 6 in Rotation versetzt, wird eine sehr gleichmäßige Kaltverfestigung erhalten, wenn die angetriebene Scheibe 2.1 neben der Rotativbewegung auch eine axiale gegenüber der Scheibe 2.2 ausführt.

Description

Gebiet der Erfindung
Gemäß dem Stand der Technik ist es bekannt, Oberflächen von Metallteilen durch sogenannte Kaltverfestigung widerstandsfähiger gegenüber mechanischer Beanspruchung zu machen. Diese Kaltverfestigung wird im Wesentlichen dadurch herbeigeführt, dass mechanisch auf die Oberflächen eingewirkt wird. Dies kann beispielsweise durch Walzen, Hämmern oder auch Trommeln passieren. Wirkt beispielsweise – wie beim Hämmern – eine Kraft auf die Oberfläche eines Metallteils ein, wird die Gitterstruktur des Metallteils gestört, wodurch etwaige Gleitvorgänge des Kristallgitters erschwert und etwa die Abreibfestigkeit des so behandelten Gegenstandes gesteigert wird.
Eine sehr definierte und gleichmäßige Art der Kaltverfestigung ist bei bandförmigem Material möglich, bei dem das bandförmige Material gewalzt wird. Ist die Formgebung des Materials allerdings komplizierter, scheidet Walzen als Methode zur Kaltverfestigung aus. Will man auch solche Gegenstände bzw. deren Oberflächen durch Kaltverfestigung einem lebensdauersteigernden Prozeß unterwerfen, greift man in aller Regel zum sog. Trommeln. Dazu wird wenigstens ein zur Kaltverfestigung anstehender Gegenstand in ein Behältnis gegeben und das Behältnis in Drehung versetzt. Die gewünschte Kaltverfestigung wird dadurch hervorgerufen, dass das oder die im Behältnis befindlichen Gegenstände miteinander, mit dem Behältnis und/oder einem in das Behältnis eingebrachten Trommelmittel karambolieren. Wie leicht einzusehen ist, ist die durch dieses Verfahren herbeigeführte Kaltverfestigung eher zufällig, da einige Stellen mehrfach „getroffen“ werden, während andere Stellen durch eine verminderte Trefferzahl keine oder nur eine unzureichende Kaltverfestigung erfahren.
Eine etwas verbesserte Kaltverfestigung von komplexen Gegenständen erhält man dann, wenn diese Gegenstände mit einem geeigneten Strahlmittel abstrahlt werden. Allerdings eignen sich wegen des Aufwands Strahlverfahren nur bedingt für die Kaltverfestigung von Massengütern.
Aufgabe der Erfindung
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen bzw. mit welcher Massengüter in der Form von Kugeln eine gleichmäßige, die Lebensdauer steigernde Kaltverfestigung ihrer oberflächennahen Bereiche erhalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist in Anspruch 2 angegeben. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 3 und 5 zu finden. Eine Kugel, welche entsprechend den erfinderischen Verfahren oder mittels der erfinderischen Vorrichtung behandelt wurde, ist in Anspruch 6 bzw. Anspruch 7 angegeben. Von besonderer Bedeutung ist gemäß Anspruch 3 das Verhältnis des Radius der Nut(en) zum Radius der Kugel, was auch als sogenannte Schmiegung bezeichnet wird. Insbesondere lässt sich über dieses Verhältnis die Tiefe der Druckeigenspannung einstellen. Dabei gilt, dass je größer der Radius der Nut(en) gegenüber dem Radius der Kugel ist, um in so geringerer Tiefe wird die maximale Druckeigenspannung ausgebildet. Dabei wird unter Tiefe der Abstand von der Oberfläche der Kugel in Richtung Kugelmittelpunkt verstanden. Brauchbare Tiefen lassen sich dann erzeugen, wenn der Radius der Nut(en) zwischen 1,01 und 1,50 mal größer ist als der Radius der Kugel.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 eine weitere Darstellung gemäß 1;
3 eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß 1 oder 2; und
4 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist eine Vorrichtung zum Kaltverfestigen von Kugeln 1 gezeigt. Diese Vorrichtung wird im Wesentlichen von zwei kreisrunden Scheiben 2.1, 2.2 gebildet, deren Drehachsen 3.1, 3.2 zueinander parallel und in gegenseitigem Abstand A_D verlaufen. Jeder dieser kreisrunden Scheiben 2.1., 2.2 ist an ihrem Umfangsrand 4.1, 4.2 mit einer umlaufenden, kreissegmentförmigen Nut 5.1, 5.2 versehen. Dass die Nuten 5.1, 5.2 keinen vollständigen Halbkreis beschreiben, ist in 1 dadurch angedeutet, dass der Mittelpunkt M_N der Nut 4.1 außerhalb der Scheibe 2.1 liegt.
Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Scheibe 2.2 den gleichen Radius R_S2 wie die Scheibe 2.1 hat. Auch haben die beiden Nuten 5.1 und 5.2 in den Scheiben 2.1, 2.2 die gleichen Abmessungen.
Ferner ist ein Motor 6 vorhanden, der die Scheibe 2.1 direkt antreibt und diese, wie der durchgezogene Kreispfeil P1 anzeigt, zumindest in Rotation im Uhrzeigersinn versetzt.
Neben dem rotativen Antrieb der Scheibe 2.1 ist der Motor 6 zusammen mit einer entsprechend geformten, in 2 aber nur schematisch gezeigten Welle 7 in der Lage, die Scheibe 2.1 auch längs ihrer Drehachse 3.1 zu verschieben.
Außerdem sind zwei Anschläge 8.1, 8.2 vorhanden, an die die jeweiligen Stirnflächen 9.1, 9.2 der Scheibe 2.1. anschlagen und dann, wenn die Scheibe 2.1 an dem jeweiligen Anschlag 8.1, 8.2 angeschlagen hat, eine Änderung ihrer Drehrichtung erfährt.
Der Darstellung gemäß 1 kann auch entnommen werden, dass die Scheibe 2.2 weder direkt von einem Motor angetrieben noch längs zu ihrer Drehachse 3.2. verschiebbar angeordnet ist. Die rotative Bewegung der Scheibe 2.2, welche durch den gepunktet ausgebildeten Kreispfeil P2 angedeutet ist, wird allein durch den Motor 6 und die durch die Vermittlung der zwischen den Scheiben 2.1, 2.2 angeordneten Kugel 1 hergestellt.
Soll nun eine Kugel 1 mittels der in 1 gezeigten Vorrichtung kaltverfestigt werden, wird diese – wie in 1 gezeigt – zwischen den beiden Nuten 5.1. 5.2 der beiden Scheiben 2.1, 2.2 angeordnet.
Damit die Kugel 1 bei der anschließenden Bearbeitung nicht ihre Lage zwischen den Scheiben 2.1, 2.2 verlässt, sind – wie 3 zeigt – ober- und unterhalb der Kugel 1 Halterungen in der Form von Stempel 10.1 10.2 vorgesehen.
Ist die Kugel 1 zwischen den Scheiben 2.1, 2.2 gemäß 1 angeordnet und liegen die Stempel 10.1, 10.2, die in 1 und 2 nicht gezeigt sind, gemäß 3 an der Kugel 1 an, wird der Motor 6 aktiviert und die Scheibe 2.1 in Rotation im Uhrzeigersinn versetzt. Diese Rotation der Scheibe 2.1 wird dann von der Kugel 1 mit dem Radius R_K auf die Scheibe 2.2 übertragen. Dieser indirekte Antrieb der Scheibe 2.2 ist in den 1 bis 4 durch gestrichelte Kurvenpfeile P2 angedeutet.
Die Kaltverfestigung der Kugel 1 gelingt aber nur dann, wenn der gegenseitige Abstand A_D der beiden Drehachsen 3.1, 3.2 etwas größer als die Summe der Radien R_S1 und R_S2 der beiden Scheiben 2.1, 2.2 ist, der Radius R_N der Nuten 5.1, 5.2 größer als der Radius R_K der zu bearbeitenden Kugel 1 ist und die beiden Scheiben 2 nicht nur in Rotation versetzt werden, sondern darüber hinaus auch noch eine relative axiale Bewegung zueinander vollführen, wobei die Rotation und die axiale Bewegung der Scheiben nicht notwendig zeitgleich ausgeführt werden muß.
Nur eine geringe Tiefe der Druckeigenspannung wird erreicht, wenn wie hier der Radius R_N der Nuten 5.1, 5.2 um den Faktor 1,20 größer ist als der Radius R_K der Kugel 1. Die Tiefe der Druckeigenspannung ist allerdings deutlich größer, wenn in einem anderen Ausführungsbeispiel der obige Faktor auf etwa 1,04 zurückgenommen wird.
Die gleichzeitige axiale und rotative Bewegung, welche im in den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel nur von der Scheibe 2.1 ausgeführt wird, hat zur Folge, dass sich Scheibe 2.1 vom Anschlag 8.2 gemäß 1 entfernt und sich auf den Anschlag 8.1 zu bewegt. Dadurch wandert der Anlagepunkt AP1 zwischen Kugel 1 und Laufbahn 11.1 aus seiner Position gemäß 1 und erreicht dann, wenn die Stirnfläche 9.1 der Scheibe 2.1 gemäß 2 den Anschlag 8.1 erreicht hat, die Position AP1’. In gleicher Weise wandert auch der auf der anderen Seite gelegene Anlagepunkt AP2 zwischen Kugel 1 und Laufbahn 11.2 mit Blickrichtung auf die 1 nach oben und nimmt dann die in 2 gezeigte Position AP2’ ein, wenn sich die Scheibe 2.1. ausgehend von 1 dem Anschlag 8.1. genähert hat.
Durch die Darstellungen im letzten Absatz soll veranschaulicht werden, dass die zwischen den Scheiben 2.1 und 2.2. angeordnete Kugel 1 unter dem motorischen Antrieb 6 nicht nur entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, sondern durch die Wanderung der Anlagepunkte AP1 und AP2 die Oberfläche der Kugel 1 Stück für Stück abgefahren bzw. überrollt wird. Durch die gleichzeitige Dreh- und Axialbewegung wird sichergestellt, dass jeder Bereich der Kugeloberfläche entsprechend festgelegter Vorgaben behandelt wird und es keine Bereiche gibt, die von dieser Behandlung ausgenommen sind. Da die beiden Scheiben 2.1 und 2.2 jeweils Druck K auf die Kugel 1 ausüben, wird durch diesen Druck K der jeweils überrollte Teil der Oberfläche der Kugel 1 kontrolliert kaltverfestigt.
Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren nicht nur auf das einmalige Überrollen der Oberfläche der Kugel 1 beschränkt ist. Sofern erforderlich kann, wenn die Stirnfläche 9.1 – so wie in 2 gezeigt – am Anschlag 8.2 liegt, die Kaltverfestigung der selben Kugel 1 fortgesetzt und die Kugel 1 erst dann der Vorrichtung entnommen werden, wenn durch Umkehr der Drehrichtung des Motors 6 die Stirnfläche 9.2 der Scheibe 2.1 wieder gemäß 1 am Anschlag 8.2 anliegt.
Auch ist es möglich, dass der in den 1 und 2 gezeigte Zyklus mehrfach durchfahren wird.
Ferner ist es nicht notwendig, dass die von einer oder beiden Scheiben 2.1, 2.2 auf die Kugel 1 ausgeübte Druckkraft K beim mehrfachen Durchfahren der Strecke zwischen den Anschlägen 8.1. und 8.2 bei jedem Durchgang gleich groß ist.
In 4 ist eine Vorrichtung gezeigt, welche es im Vergleich zu der Vorrichtung gemäß den 1 bis 3 erlaubt, gleichzeitig zwei Kugeln 1, 1’ kaltzuverfestigen.
Dazu ist der an sich schon aus 1 bekannten Anordnung mit den beiden Scheiben 2.1, 2.2 eine weitere Scheibe 2.3 nebengeordnet, die ebenfalls an ihrem Unfang 4.3 eine umlaufende, kreissegmentförmig ausgebildete Nut 5.3 aufweist. Die Drehachse 3.3. dieser Scheibe 2.3 verläuft ebenfalls parallel zu den Drehachsen 3.1, 3.2. und hat zur mittleren Drehachse 3.1 einen Abstand A_D, der etwas größer ist als die Summe der Radien R_S1 und R_S3. Durch den gepunktet ausgeführten Kreispfeil P3 ist angedeutet, dass die Scheibe 2.3. ebenso wie die Scheibe 2.2 in den 1 bis 4 indirekt, d.h. durch die Vermittlung von in den Nuten 5 angeordneten Kugeln 1, 1’ vom Motor 6 angetrieben wird.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass auch in einem anderen – nicht gezeigten – Ausführungsbeispiel jede der Scheiben 2 von einem Motor angetrieben sein kann, sofern eine Schaltung sicherstellt, dass die verwendeten Motoren die Scheiben 2 mit einer aufeinander abgestimmten Drehzahl antreiben.
Bezugszeichenliste

1, 1’: Kugel
2.1, 2.2, 2.3: Scheibe
3.1, 3.2, 3.3: Drehachse
4.1, 4.2, 4.3: Umfangsrand
5.1, 5.2, 5.3: Nut
6: Motor
7: Welle
8.1, 8.2: Anschlag
9.1, 9.2: Stirnfläche
10.1, 10.2: Stempel
11.1, 11.2: Laufbahn

Claims

Verfahren zum Herbeiführen von Druckeigenspannungen in oberflächennahen Bereichen von Kugeln 1, deren Mittelpunkt M_K zu jedem Punkt der jeweiligen Kugeloberfläche und somit auch zu den oberflächennahen Bereichen den gleichen Radius R_K einhält, indem die oberflächennahen Bereiche durch Druckeinwirkung K eine Kaltverfestigung erfahren, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt zwei Scheiben 2 bereitgestellt werden, an deren äußerem Umfangsrand 4 jeweils eine umlaufende, kreissegmentförmige Nut 5 ausgebildet ist, deren Mittelpunkt M_N außerhalb der jeweiligen Scheibe 2 liegt und deren Radius R_N etwas größer ist als der Radius R_K der zu bearbeitenden Kugel 1, dass in einem zweiten Schritt die beiden Scheiben 2 drehbar nebeneinander angeordnet werden, wobei die beiden am Umfangsrand 4 der Scheiben 2 ausgebildeten Nuten 5 einander zugewandt sind und die Drehachsen 3 der beiden Scheiben 2 zueinander parallel verlaufen und einen Abstand A_D zueinander einhalten, der etwas größer ist als die Summe der Radien R_S1, R_S2 der beiden Scheiben 2, dass in einem dritten Schritt die zu bearbeitende Kugel 1 zwischen den Nuten 5 der beiden Schreiben 2 angeordnet wird und durch körperlichen Kontakt der Nuten 5 auf die Kugel 1 ein Druck K auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Kugel 1 ausgeübt wird, und dass, wenn die zu bearbeitende Kugel 1 zwischen den Scheiben 2 angeordnet ist, ein Antrieb 6 aktiv geschaltet wird, der wenigstens eine Scheibe 2.1 direkt in Rotation versetzt und darüber hinaus zwischen zwei Endpunkten 8.1, 8.2 eine axiale Bewegung einer der beiden Scheiben 2.1 zur jeweils anderen Scheibe 2.2 herbeiführt.
Vorrichtung zur Ausbildung von Druckeigenspannungen in oberflächennahen Bereichen von Kugeln, deren Mittelpunkt M_K zu jedem Punkt jeweiligen Kugeloberfläche und somit auch zu den oberflächennahen Bereiche den gleichen Radius R_K einhält, indem die oberflächennahen Bereiche durch Druckeinwirkung K eine Kaltverfestigung erfahren, gekennzeichnet durch mindestens zwei runde Scheiben 2, an deren äußeren Umfangsrand 4 jeweils eine umlaufende, kreissegmentförmige Nut 5 ausgebildet ist, deren Drehachsen 3 parallel zueinander verlaufen, wobei der gegenseitige Abstand A_D der beiden Drehachsen etwas größer ist als die Summe der Radien R_S1, R_S2 der beiden Scheiben 2, einen Antrieb 6, der wenigstens eine der beiden Scheiben 2.1 direkt in Rotation versetzt und darüber hinaus wenigstens eine der beiden Scheiben 2.1 axial zu der anderen Scheibe 2.2 verschiebt, und Halterungen 10, die eine zu bearbeitende Kugel 1 zumindest während der Wirkung des Antriebs 6 zwischen den Scheiben 2 hält.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R_N der Nut 5 zwischen 1, 01 und 1,50 mal größer ist als der Radius R_K der Kugel 1.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere mit einer umlaufenden, kreissegmentförmigen Nut 5.3 versehenen Scheibe 2.3 vorgesehen ist, deren Drehachse 3.3 ebenfalls parallel zu den Drehachsen 3.1, 3.2 der übrigen Scheiben 2.1. 2.2 verläuft und einen Abstand A_D zu der von einem Antrieb 6 angetriebenen Scheibe 2.1 einhält, der etwas größer ist als die Summe der Radien R_S1, R_S3 der weiteren und der angetriebenen Scheibe 2.1, 2.3.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach Anspruch 1 auf ihr ausgeführt wird.
Kugel dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverfestigung der oberflächennahen Bereiche der Kugel 1 entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 1 durchgeführt wird.
Kugel dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverfestigung der oberflächennahen Bereiche der Kugel 1 auf einer Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3 ausgeführt wird.